Bài báo này, trình bày các kết quả nghiên cứu về giải pháp khắc phục hiện tượng tách dòng và giảm áp cục bộ trần cống xả sâu (cống xả hạ lưu) - công trình hồ chứa nước Bản Mòng - tỉnh Sơn La. Trong nghiên cứu đã sử dụng phương pháp mô hình vật lý truyền thống. Do tính chất thực nghiệm, phương pháp nghiên cứu ở được tiến hành theo cách tiệm cận dần. Các giải pháp công trình đã đề xuất là khả thi về kỹ thuật, cho kết quả tốt về mặt thủy lực công trình và đã được áp dụng vào bản vẽ thi công.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG TÁCH DÒNG VÀ GIẢM ÁP CỤC BỘ TRẦN CỐNG XẢ SÂU – CƠNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MỊNG – TỈNH SƠN LA TS Nguyễn Ngọc Nam Phịng Thí nghiệm Trọng điểm quốc gia Động lực học sơng biển Tóm tắt: Bài báo này, trình bày kết nghiên cứu giải pháp khắc phục tượng tách dòng giảm áp cục trần cống xả sâu (cống xả hạ lưu) - cơng trình hồ chứa nước Bản Mòng - tỉnh Sơn La Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình vật lý truyền thống Do tính chất thực nghiệm, phương pháp nghiên cứu tiến hành theo cách tiệm cận dần Các giải pháp cơng trình đề xuất khả thi kỹ thuật, cho kết tốt mặt thủy lực cơng trình áp dụng vào vẽ thi công Summary: This paper, presents the research results about solutions to correct the flow separation phenomena and partial pressure reducing at the ceiling of deep outlet (downstream outlet) - the reservoir works Ban Mong - Son La province In the research used traditional physical models methods Due to the nature of empirical research methodology in this work is conducted in accordance with the asymptotic order The proposed solutions is technically feasible, with good results in terms of hydraulic works and has been applied in construction drawings I ĐẶT VẤN ĐỀ Chế độ dòng chảy qua cống xả sâu cơng trình hồ chứa nước thường có áp Mặt cắt ngang thiết kế cống chọn dạng trịn, chữ nhật, hình móng ngựa kết hợp vòm tròn với đáy thành cống phần hình chữ nhật hay hình vng.v.v Các tài liệu trước nghiên cứu cống xả sâu lưu ý: cơng trình tháo nước có dạng mặt cắt vuông, tháo nước dễ phát sinh áp suất âm lớn trần cống Với dạng cống hộp, người ta thường khuyến cáo nên chọn dạng mặt cắt dạng chữ nhật cho cống xả sâu [1],[3] Ngoài ra, cửa vào cống (xét phương đứng phương ngang) thiết kế hợp lý thuận dịng, không phát sinh áp suất âm trần cống Đối với cống xả sâu cơng trình hồ chứa nước mà có nhiều đoạn cong chuyển tiếp có khả phát sinh tượng tách dịng thân cống Do đó, hai nhiệm vụ quan trọng hàng đầu cơng tác thí nghiệm đặt cơng trình tháo nước dạng cống xả sâu phải có 64 giải pháp khắc phục tượng tách dịng giảm áp cục trần cống Dưới trình bày số kết nghiên cứu giải pháp khắc phục tượng nói thí nghiệm cống xả sâu (cống xả hạ lưu) cơng trình hồ chứa nước Bản Mịng - tỉnh Sơn La II PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Thiết kế mơ hình thí nghiệm: 2.1.1 Ngun tắc thiết kế mơ hình thí nghiệm: Để đạt kết tốt thí nghiệm mơ hình nhằm giải nội dung trên, sử dụng phương pháp kết hợp nghiên cứu lý luận thực nghiệm mơ hình Đối với cơng trình xả sâu, dịng chảy qua cống xả sâu dịng chảy có áp Khi lực tác dụng vào dòng chảy chủ yếu áp lực (tiêu chuẩn Eu) lực ma sát (tiêu chuẩn Re) nên viết phương trình tiêu chuẩn đồng dạng [2] Eu = f (Re, ε , ε , , ε n ) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 (1-1) KHOA HỌC Trong đó: Eu = gh p v ; Re = vl p ; hp = v γ (1-2) hp chiều cao cột nước áp suất Các thông số không thứ nguyên ε1, ε2, …εn biểu diễn quan hệ hình học dịng chảy r H b B B tỷ lệ: ; ; ; ; h ht ht b b Về nguyên tắc: dịng chảy có áp, tiêu chuẩn tương tự tiêu chuẩn Reynolds (Re): Re = VL VL VL = idem hay = v v m v n (1-3) Khi xây dựng đảm bảo cho dòng chảy khu bình phương sức cản thỏa mãn điều kiện tự động mơ hình Tức lúc này, trị số Re mơ hình đủ lớn, vượt qua giá trị giới hạn Regh Lúc này, bỏ qua lực nhớt so với áp lực áp dụng tiêu chuẩn Froude cho đối tượng Trị số Regh xác định theo công thức (1-4) sau: Re gh = 14 Rm km ε m (1-4) Trong Rm, km, εm bán kính thuỷ lực, độ nhám hệ số sức cản ma sát mô hình Trong thực tế, tùy thuộc điều kiện cụ thể cơng trình, người ta sử dụng tiêu chuẩn Froude để nghiên cứu mơ hình tượng thuỷ lực dịng chảy có áp Thơng thường Regh≥104÷105 áp dụng tiêu chuẩn Froude cho đối tượng Khi tiêu chuẩn (1-3) khơng cịn hiệu lực dịng chảy trạng thái tự động mơ hình 2.1.2 Thiết kế mơ hình thí nghiệm với cống xả sâu cơng trình hồ chứa nước Bản Mịng: Đối với cơng trình Bản Mịng chọn mơ hình thái áp dụng tiêu chuẩn Froude sau kiểm tra theo điều kiện tiêu chuẩn Reynolds ; Với mơ hình cống xả sâu Bản Mịng, tỷ lệ chọn cho thí nghiệm λL=30 đảm bảo cho điều kiện dòng chảy trạng thái tự động CƠNG NGHỆ mơ hình đồng thời đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho bố trí thiết bị đo vị trí Để kiểm tra điều kiện tự động mơ hình, chúng tơi tính tốn với trường hợp bất lợi (Q, H) mơ hình: Đường kính tương đương d =2 V d Vd ω = m Re m = m = π ν λl λl ν (1-5) Các giới hạn độ sâu, vận tốc chế độ chảy phải đảm bảo 2.2 Bố trí đo đạc thiết bị đo: Để phát vấn đề liên quan đến áp suất dòng chảy tạo nên áp lực bất lợi tác dụng vào cống, dọc theo thân cống nên bố trí điểm đo giá trị áp suất, bố trí điểm đo dọc theo trần cống, dọc theo trần cống, dọc theo đáy cống, thành trái cống thành phải cống Để phát vấn đề liên quan đến tượng tách dòng chảy thân cống, chế tạo cống nên làm kính suốt để dễ quan sát Ngồi ra, bố trí điểm đo dọc theo đáy cống, thành cống, trần cống phải lưu ý bố trí ống đo (kết hợp với quan sát qua kính suốt) số vị trí quan trọng (các vị trí nằm xung quanh điểm uốn tim cống : xét phương đứng phương ngang) để phát vị trí tách dịng có biện pháp xử lý thích hợp III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỐNG XẢ SÂU BẢN MÒNG 3.1 Giới thiệu cơng trình 3.1.1.Nhiệm vụ dự án: Hồ chứa nước Bản Mòng, Tỉnh Sơn La xây dựng Nà Póng, xã Hủa La, thành phố Sơn La có nhiệm vụ : - Điều tiết với khả tối đa nhằm cắt, giảm lũ cho Thành phố Sơn La Cụ thể giảm lũ cho thành phố Sơn La với tần suất chống lũ P=5% Tương ứng với mực nước cầu trắng +595,19m, thấp đáy dầm cầu Trắng 1.21m TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 65 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - Cấp nước tưới tự chảy cho 263ha đất nông - Xả nước hạ lưu để đảm bảo môi trường nghiệp ven suối Nậm La - Tạo nguồn cấp nước tưới ẩm cho 947ha đất - Hình thành điểm du lịch gắn với suối nước nông nghiệp - Tạo nguồn cấp nước sinh hoạt, phục vụ sản xuất công nghiệp cho thành phố Sơn La với lưu lượng đảm bảo 27 500m3/ngày đêm TT - sinh thái: lưu lượng mùa kiệt đảm bảo 0,4 m3/s nóng Bản Mịng 3.1.2 Một số thơng số kỹ thuật cơng trình Ký hiệu Thơng số Hồ chứa nước Mực nước ứng với dung tích cấp nước (mực nước dâng bình thường) Mực nước lũ kiểm tra (P=0,2%) Mực nước lũ thiết kế (P=1%) Mực nước trước lũ Mực nước phòng lũ (P=5%) Mực nước chết Cống xả hạ lưu (Cống xả sâu) Lưu lượng thiết kế (nhiệm vụ tưới) Cao trình ngưỡng cống Cao trình ngưỡng cửa cống Kích thước cống Cửa van điều khiển thượng lưu Đơn vị Thông thuật MNDBT m +660,00 MNLKT MNLTK MNTL MNL5% Zc m m m m m +669,05 +668,70 +660,00 +668,69 +649,50 Qtk Zngc Zngc BxH m3/s m m m 0,97 +647,20 +631,00 1,5x1,5 Cửa van phẳng Như vậy, cống xả hạ lưu dạng cống xả sâu, mực nước phòng lũ mực nước thiết kế, cột nước làm việc cống khoảng 20m Chênh lệch mực nước thượng lưu với cửa cống từ 30,0m ÷37,5m Hình : Cống xả hạ lưu – phương án thiết kế 66 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 số kỹ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 2: Bố trí ống đo áp suất ống kiểm tra tượng tách dịng mơ hình cống xả hạ lưu – Phương án thiết kế, phương án sửa đổi1 3.1.3 Các cấp lưu lượng thí nghiệm với tuyến cống xả hạ lưu : Để đảm bảo an toàn cho cống xả hạ lưu, trường hợp thí nghiệm tuyến cống xả hạ lưu, nghiên cứu xả qua cống với cấp lưu lượng mực nước sau : − Ứng với mực nước lũ thiết kế p=1% (+668,70) − Mực nước hồ mực nước dâng bình thường MNDBT (+660,00) Để phát vấn đề liên quan đến áp suất dòng chảy tạo nên áp lực bất lợi tác dụng vào cống, dọc theo thân cống bố trí tổng cộng 31 điểm đo giá trị áp suất ống kiểm tra tượng tách dịng (xem hình 2), đó: - 15 điểm dọc theo trần cống 10 điểm dọc theo đáy cống điểm thành trái điểm thành phải Đúng dự báo, ứng với chế độ mực nước hồ trên, tháo nước qua cống, tiến hành công tác đo đạc Từ số liệu đo cho thấy 3.2 Các vấn đề cần giải qua công tác thí trần cửa vào góc đường ống cống tồn áp suất âm, giá trị áp suất âm vượt q ngưỡng nghiệm mơ hình thủy lực: cho phép ( pcp = −3mH 2O ); đoạn uốn cong 3.2.1 Hiện tượng giảm áp cục trần cống thứ tồn áp suất âm vượt cửa vào ngưỡng cho phép; đoạn cống dốc xiên Khi nghiên cứu tài liệu thiết kế cơng trình, xuống theo mặt đập bê tông lực tồn chúng tơi nhận thấy: cống xả sâu cơng trình hồ áp suất âm, giá trị áp suất âm đạt chứa nước Bản Mịng cống xả có áp mặt 4.44mH cắt cống dạng hình vng Đây cơng trình tháo nước có dạng mặt cắt mà tháo nước 3.2.2 Hiện tượng tách dòng thân cống dễ phát sinh áp suất âm lớn trần cống - Khi nghiên cứu tài liệu thiết kế cơng trình, − Mực nước hồ cao trình dùng để đón lũ cần thiết MNTL (+655,40) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 67 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ chúng tơi nhận thấy: cống xả sâu cơng trình hồ chứa nước Bản Mịng có nhiều đoạn cong chuyển tiếp - Để kiểm tra khả tách dịng thân - Do vậy, việc bố trí điểm đo dọc theo đáy cống, thành cống, trần cống số vị trí quan trọng giúp cho phát vị trí tách dịng để có biện pháp xử lý thích hợp cống, chúng tơi bố trí ống đo kiểm tra (xem hình 2) số vị trí quan trọng (các vị trí nằm xung quanh điểm uốn tim cống: xét phương đứng phương ngang) 3.3 Kết nghiên cứu - Khi thí nghiệm, trước tiên cần xử lý cho - Dạng mặt cắt cống cửa vào chưa thuận đầy nước vào cống để nước cống ống đo chế độ bình thơng Sau đó, tháo nước qua cống, phát thấy đa số trường hợp mở cống vị trí uốn cong thứ xảy tượng tách dòng - Thân cống nhiều đoạn tồn áp suất âm 3.3.1 Phương án thiết kế ban đầu: Qua thí nghiệm thấy rằng: lớn vượt giá trị áp suất âm cho phép - Trong cống xả nước ln kéo dịng khí vào cống; dễ gây rung động ph©n bè áp suất trung bình trần cống xả hạ lu Phơng án thiết kế - Trờng hợp cống xả hạ lu làm việc độc lập Hỡnh 3: Kt qu o áp suất trần cống từ đoạn sau cửa vào theo phương án thiết kế Để khắc phục bất lợi trên, tiến hành lần sửa đổi: 3.3.2 Phương án sửa đổi Phương án sửa đổi cống xả hạ lưu có thay đổi cống sau: - Dịch chuyển tuyến tim cống vào gần vai tràn : tim cống cách tim dọc tràn 14.6m - Lắp ống thơng khí vào buồng van - Kích thước mặt cắt cống Phương án thiết kế (không thay đổi theo kiến nghị 68 quan thí nghiệm) Sau gia cơng chế tạo cống theo phương án sửa đổi lắp vào tuyến tiến hành mở nước để kiểm tra; qua kiểm tra mơ hình khơng bị rị rỉ lắp thiết bị ống đo áp vào, định vị lại tuyến mặt cắt đo đạc Sau tiến hành mở nước kiểm nghiệm lại lần thức hai để kiểm tra Thí nghiệm kiểm định mơ hình cho thấy mơ hình đảm bảo điều kiện để tiến hành thí nghiệm thức TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 KHOA HỌC Kết thí nghiệm phương án sửa đổi cho thấy: - Trong cống tồn tượng tách dòng với trường hợp tháo nước mực nước hồ nhỏ cao trình 660.00m - Áp suất âm cống xả vượt mức cho phép cần tiếp tục nghiên cứu sửa đổi - Đối với cống xả khả tháo Phương án sửa đổi làm khả tháo cống xả hạ lưu tăng thêm từ 2÷4 m3/s so với phương án thiết kế, song điều không quan trọng mà vấn đề chủ yếu không sinh khí thực xâm hại cơng trình ảnh hưởng đến an tồn thân đập cống cơng trình vĩnh cửu nằm thân đập Vì vậy, cần tiếp tục sửa đổi để hồn thiện CƠNG NGHỆ - Sau tiến hành phương án sửa đổi 2, thân cống, tượng áp suất âm giảm đáng kể Tuy nhiên, số vị trí cịn tượng giảm áp lớn dẫn đến giá trị áp suất vượt giá trị áp suất âm cho phép Do vậy, nhóm nghiên cứu thí nghiệm tiếp tục đưa phương án sửa đổi 3.3.4 Phương án sửa đổi (kiến nghị đưa vào vẽ thi công): - Kế thừa phương án sửa đổi 2, sau đoạn cong chuyển tiếp thứ thực thu hẹp để đỉnh cống tạo độ dốc thu nhỏ từ h = 1.8m xuống đến miệng cửa h = 1.26m (thu hẹp 70% chiều cao cống) đường cong e-lip có phương trình: Với phương án sửa đổi 3, dọc theo chiều dài thân cống, tượng giảm áp xử lý tương đối thỏa đáng Các trường hợp tháo nước mực nước hồ khơng lớn có vài vị trí có áp suất âm nhỏ so với giá trị áp suất âm cho phép Với mực nước thực xả nước qua cống cho kết sau: x y2 + =1 a b2 (8-1) − Khi Zhồ = 668.70m Qxả đạt 41m3/s khơng có áp suất âm (8-2) − Khi Zhồ = 660.00m Qxả đạt 35m3/s cục có áp suất âm nhỏ 3.3.3 Phương án sửa đổi Phương án sửa đổi cống xả hạ lưu có thay đổi cống sau: - Trần miệng cửa vào thiết kế theo dạng a =3 b Lấy a= 5.19m, b= 1.73m - Miệng vào thành bên lượn tròn theo R= 0.75m - Mặt cắt cống đổi thành dạng chữ nhật có kích thước: h x b = 1.8m x1.5m - Sửa bán kính cong đoạn thứ R = 5m thành R = 8B = x 1.5 = 12m Vì cống có đoạn dốc chuyển xuống theo mái thân đập nên đoạn cong chuyển tiếp kiến nghị chọn bán kính cong hợp R = 8B=12m (B độ cống) - Sau đoạn cong chuyển tiếp thứ thực thu hẹp để đỉnh ống tạo độ dốc thu nhỏ từ h = 1.8m xuống đến miệng cửa h = 1.5m Kết thí nghiệm phương án sửa đổi cho thấy: − Khi Zhồ = 655.40m Qxả đạt 31m3/s tượng áp suất âm tăng lên Căn vào kết thí nghiệm với mực nước khác cho thấy, mực nước hồ thấp cao trình đỉnh tràn (+660.00m) mà xả nước qua cống xuất áp suất âm Nguyên nhân mực nước buồng van hạ thấp hở khe van, nên xả nước qua cống hút khí qua khe van đưa vào cống Với mực nước hồ 655.40m, xả nước qua cống, áp suất âm trần cống nằm giới hạn cho phép Vì vậy, quản lý, vận hành cống nên hạn chế mở nước mực nước hồ thấp cao trình 655.4m để tránh khả sinh áp suất âm trần cống vượt ngưỡng cho phép TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 69 KHOA HC CễNG NGH phân bố áp suất trung bình trần cống xả hạ lu Phơng án hoàn thiện - Trờng hợp cống xả hạ lu làm viƯc ®éc lËp Hình 4: Kết đo áp suất trần cống theo phương án thiết kế e e f f Hình 5: Cắt dọc cống xả theo phương án kiến nghị áp dụng vào vẽ thi công 70 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ thuật, qua thí nghiệm kiểm chứng cho kết tốt mặt thủy lực cơng trình áp dụng vào vẽ thi cơng xây dựng cơng trình IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực cống xả sâu – cơng trình Hồ chứa nước Bản Mòng - tỉnh Sơn La giải hai vấn đề thủy lực phức tạp cơng trình là: giảm áp cục cửa vào, trần cống tách dòng thân cống Đây vấn đề thủy lực mà khơng xử lý thỏa đáng có ảnh hưởng tới an tồn, tuổi thọ cơng trình Các giải pháp đề xuất là: thay đổi mặt cắt ngang cống cho hợp lý hơn, thay đổi đường viền cửa vào cho thuận dòng chảy, thay đổi tuyến cống (cả theo phương đứng phương ngang), thu hẹp chiều cao cửa cống.v.v Các giải pháp khả thi kỹ 4.2 Khuyến nghị Cần lắp ống thơng khí sau cửa van phẳng cống xả mở nắp (hoặc van cấp khí) vận hành đóng mở, sau mở xong cần lưu ý đóng nắp thơng khí lại để tránh đưa khí vào ống cống gây áp suất âm Trong vận hành, nên hạn chế xả nước qua cống mực nước hồ thấp cao trình 655.40m Khuyến nghị với trường hợp xả từ mực nước hồ 660.00m trở xuống, nên có nắp đậy kín buồng van lỗ thơng khí để giảm lượng khí hút qua khe van lỗ thơng khí đưa vào thân cống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Văn Đặng, Ngơ Trí Viềng - Cơng trình tháo lũ đầu mối hệ thống thuỷ lợi NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội, năm 1977 [2] P.G Kixelep tác giả khác – Sổ tay Thủy lực (Bản dịch tiếng Việt) NXB “Cầu vồng” - Matxcova, năm 1988 [3] Quy phạm thiết kế Trung Quốc (Sổ tay thiết kế thủy công tập trang: 6-259) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 71 ... để phát vị trí tách dịng có biện pháp xử lý thích hợp III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỐNG XẢ SÂU BẢN MÒNG 3.1 Giới thiệu cơng trình 3.1.1.Nhiệm vụ dự án: Hồ chứa nước Bản Mòng, Tỉnh Sơn La xây dựng Nà... thấy: cống xả sâu cơng trình hồ áp suất âm, giá trị áp suất âm đạt chứa nước Bản Mịng cống xả có áp mặt 4.44mH cắt cống dạng hình vng Đây cơng trình tháo nước có dạng mặt cắt mà tháo nước 3.2.2 Hiện. .. cơng trình IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình thủy lực cống xả sâu – cơng trình Hồ chứa nước Bản Mịng - tỉnh Sơn La giải hai vấn đề thủy lực phức tạp cơng trình